Download - Парниковая катастрофа
ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА
Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.
Институт биофизики клетки РАН,
г. Пущино Московской обл., ул. Институтская 3,
e-mail: [email protected]
Тезисы доклада
1. Биосферные механизмы связывания СО2 недостаточны для компенсации антропогенного выброса
2. Наличие в неживой природе потенциально опасных источников СО2 может придать климатическим изменениям необратимый характер
3. Асимптотические оценки в рамках радиационно-адиабатической модели двухкомпонентного (СО2+Н2О) парникового эффекта дают величины возможного повышения глобальной температуры более чем на 100 градусов
4. Интегральная климатическая модель, учитывающая тепловую инерцию климатической системы позволяет описать всю совокупность данных наблюдения за климатом и приводит к ожидаемым срокам наступления терминальной стадии парниковой катастрофы - 300 лет (базовый сценарий)
5. Нелинейный характер реакции климатической системы на повышение среднепланетарной температуры может существенно повлиять на конкретные сценарии изменения климата Земли. (Ускорение терминальной стадии парниковой катастрофы до 50-100 лет. Наступление кратковременного 20-50 лет оледенения в Северном полушарии из-за «остановки» Гольфстрима)
Биосферные механизмы связывания СО2 недостаточны для компенсации антропогенного выброса
ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.
Раздел 1
БСЭ 1970-1980
Ж ИВОТНЫ Е
УГОЛЬ И НЕФТЬ
ОКЕАН
40 000 Гт
Ф О ТО С И Н ТЕЗ
Гт/год50ДЫ ХА Н И Е
Гт/год48
С Ж ИГАН ИЕТО ПЛИВА
Гт/год5
АТМ О С Ф ЕРА750 Гт
ИЗВЕСТНЯКИ
28 000 000 Гт
0.01 Гт/год
Л ЕС Н Ы ЕП ОЖ А РЫ
Гт/год2
РАСТЕНИЯ
610 Гт
0.1 Гт/год
0.1 Гт/год
0.001 Гт/год
IPCC 2001
IPCC 1995
IPCC 2001
Наличие в неживой природе потенциально опасных источников СО2 может придать климатическим изменениям необратимый характер
ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.
Раздел 2
ABIOTIC EARTH CHEMOSYNTHETIC LIFE CO2 + CaO + H2O = CaCO3 + H2O FOTOSYNTHETIC LIFE CO2 + H2O = O2 + CnNm Ca SiO3 + CO2 = CaCO3 + SiO2
CIVILIZATION CnHm + O2 = CO2 + H2O
T(CO2) FOTO-SYNTHETIC
LIFE
CHEMO- SYNTHETIC
LIFE
ABIOTIC EARTH
CIVILIZATION
t
t
CaCO3
CnHm+CaCO3
CaO
ABIOTIC EARTH CHEMOSYNTHETIC LIFE CO2 + CaO + H2O = CaCO3 + H2O FOTOSYNTHETIC LIFE CO2 + H2O = O2 + CnNm Ca SiO3 + CO2 = CaCO3 + SiO2
CIVILIZATION CnHm + O2 = CO2 + H2O
CO2
CO2
CO2
CO2 CO2 CO2
NATURE|VOL400|8 JULY 1999
Асимптотические оценки в рамках радиационно-адиабатической модели двухкомпонентного (СО2+Н2О) парникового эффекта дают величины возможного повышения глобальной температуры более чем на 100 градусов
ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.
Раздел 3
Е с л и б ы п а р а м е т р ы а т м о с ф е р В е н е р ы и З е м л и ( а л ь б е д о и и з л у ч а т е л ь н а я с п о с о б н о с т ь ) б ы л иб ы о д и н а к о в ы , у с л о в и е б а л а н с а п о г л о щ е н н о й и и з л у ч е н н о й э н е р г и и ( р а в е н с т в а в с т а ц и о н а р н о мс л у ч а е ) п р и в о д и л о б ы к с л е д у ю щ е м у с о о т н о ш е н и ю м е ж д у с р е д н е п л а н е т а р н ы м и т е м п е р а т у р а м и :
И с п о л ь з у я х о р о ш о и з в е с т н ы е з н а ч е н и я с р е д н и х р а с с т о я н и й д о С о л н ц а В е н е р ы ( R v = 0 . 7 2 3 а .е . ) и
З е м л и ( R E = 1 а . е . ) , с п о м о щ ь ю п р е д ы д у щ е г о в ы р а ж е н и я н е т р у д н о п о л у ч и т ь ч и с л е н н ы е о ц е н к и д л яо т н о ш е н и я с р е д н е п л а н е т а р н ы х т е м п е р а т у р .
Т а к и м о б р а з о м , п о с к о л ь к у с р е д н е п л а н е т а р н а я т е м п е р а т у р а З е м л и с о с т а в л я е т п р и м е р н о 3 0 0 0 К ,
с р е д н е п л а н е т а р н а я т е м п е р а т у р а В е н е р ы д о л ж н а б ы л а б ы б ы т ь в с е г о н а 5 0 0 K в ы ш е ( е с л и б ып а р а м е т р ы а т м о с ф е р э т и х п л а н е т б ы л и б ы о д и н а к о в ы ) .
S u n
E a r t h
V e n u sR V
R E
EV T17.1T
20
ABSR16
W)1((R)W
4IRR T(T)W εσ
(T)W(R)W IRRABSV
E
E
V
R
R
T
T
1. Основные положения
1.1. Адиабатическое приближение
Зависимость температуры воздуха от высоты в радиационно активной части атмосферы (в тропосфере) принимается линейно убывающей (адиабатический градиент)
,
где - температура поверхности планеты (Земли),
- адиабатический градиент.
1.2. 2х-компонентый парниковый эффект в приближении плотной атмосферы.
Считается, что наибольший вклад в тепловое излучение Земли вносит атмосфера (95%), причем основную роль играют 2 парниковых газа - углекислый газ СО2 и пары воды Н2О. Излучение поверхности и малых парниковых компонент не рассматривается.
Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта
zTzT A 0)(
z
К/км10К/мC
g
pA )108.9( 3
0T
1.3. Барометрическое приближение для СО2
Считается, что плотность СО2 не зависит от географической широты и меняется с высотой в соответствии с барометрической формулой:
(изотермическая атмосфера), где – средняя молярная масса воздуха; – масса атома водорода; – постоянная Больцмана, –
плотность СО2 на уровне моря (поверхности планеты).
1.4. Изотермическое приближение для паров воды (Н2О)
Принято, что средняя концентрация паров воды в атмосфере определяется температурой окружающего воздуха, которая, наряду с зависимостью от географического положения,
линейно зависит от высоты (адиабатическое приближение):
Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта
z
zkT
gmz
eff
HвоздCOCO exp)( 220
))(()),((),( 0222 zTzTz AOHOHOH
29возд
кгmH271067.1
Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта
1.5. Условие постоянства падающей энергии
Условие радиационного баланса для состояния термодинамического равновесия требует равенства падающей и излучаемой планетой энергии
В рамках базового варианта радиационно-адиабатической модели - солнечная постоянная и - альбедо планеты считаются константами. Соответственно, является константой величина излучаемой планетой энергии
constTWSW COизлпад ),(4/)1( 002
S
Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта
2. Аналитическое выражение для энергии теплового излучения
Сделанные предположения позволяют записать аналитическое выражение для энергии теплового излучения:
)))((/exp(
2),,,,(),(
0
3
000022
A
COизлCOизл
Tkhc
hdzddzTWdzddTW
))(()(exp)( 00
2222 zTazkT
gma A
OHOH
eff
HвоздCOCO
))(()(exp)(exp 002222
AOH
z
OH
eff
Hвозд
Hвозд
effCOCO TdazkT
gm
gm
kTa
Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта
3. Вычисление величины климатической чувствительности (дифференциального парникового эффекта)
3.1. Общий вид выражения для дифференциального парникового эффекта
Условие постоянства излучаемой планетой энергии позволяет непосредственно вычислить величину дифференциального парникового эффекта
0),(),(
00
000
0
002
2
2
2
dTT
TWd
TWdW
COизлCO
CO
COизлизл
22
2
2
00
00
0
000
),(),( COCOизл
CO
COизл
dT
TWTWdT
Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта
3.2. Трансляционно-дилатационная группа преобразований
Наличие специальной группы преобразований, оставляющей инвариантной величину
суммарной излучаемой мощности :
где - средний (для Земли) адиабатический градиент
- высота, на которой плотность воздуха уменьшается в e раз
позволяет практически сразу записать выражение для дифференциального парникового эффекта
).ln(~
;~
000
0022
HTT A
COCO
),( 002 TW COизл
2
22
2
22
0
00
0
000 ln)59(ln
CO
COCO
CO
COCO
KHT
кмKC
g
pA /8
кмgm
kTH
Hвозд
4,70
Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта
3.3. Сравнение результатов радиационно-адиабатической и радиационно-конвективной модели парникового эффекта.
Выражения для дифференциального парникового эффекта в рамках радиационо -адиабатической и радиационно-конвективной модели совпадают
Параметр получил название параметра климатической чувствительности.
Радиационно-адиабатическая Радиационно-конвективная (IPCC)
Параметр имеет интерпретацию асимптотического изменения среднепланетарной температуры Земли при удвоении концентрации СО2
2
22
0
00lnCO
COCO
T
K)5937(
K)4025(2
K5,62,2
K5,45,12 2
2
Квадратичная регрессионная модель
Регрессионная модель 3 степени
Интегральная климатическая модель, учитывающая тепловую инерцию климатической системы позволяет описать всю совокупность данных наблюдения за климатом и приводит к ожидаемым срокам наступления терминальной стадии парниковой катастрофы - 300 лет (базовый сценарий)
ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.
Раздел 4
Учет различных факторов, влияющих на тепловой баланс Земли (IPCC 2001)
Учет различных факторов, влияющих на тепловой баланс Земли (Дополнительные факторы)
Тепловая инерция
климатической системы
Н2О
Аэрозольное загрязнение стратосферы
«Ядерная зима»
.
Модель изменения климата Земли с учетом тепловой инерции климатической системы и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы.
4.1. Базовое уравнение модели
Уравнение, описывающие динамику изменения среднепланетарной температуры Земли
,
где - изменение во времени среднепланетарной температуры Земли;
- время релаксации климатической системы, определяемое суммарной тепловой инерцией Мирового океана, ледников, атмосферы и суши;
- начальные (доиндустриальные) значения среднепланетарной температуры и плотности СО2 у поверхности Земли- изменение во времени концентрации СО2;
- изменение во времени температурного форсинга, связанного с аэрозольным загрязнением верхних слоев атмосферы (стратосфера).
)()()(
ln1)(
2
2
0
00 tTtT
tT
dt
tdTACO
CO
ин
)(tT
ин
200 , COT
)(20 tCO
)(tTA
.
Модель изменения климата Земли с учетом тепловой инерции климатической системы и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы.
4.2. Основные параметры парникового эффекта
Парниковый эффект характеризуется параметром климатической чувствительности, соответствующим нижней границе интервала оценок для радиационно-адиабатической модели
, где
Изменение средней концентрации углекислого газа с начала индустриальной эпохи до наших дней аппроксимируется экспоненциальной зависимостью от времени:
где , , - доиндустриальный уровень концентрации СО2.
Рассмотрены также варианты фиксации выбросов СО2 на уровне 2000 и 2001 года.
K37
2
22
0
00lnCO
COCO
T
)(20 tCO
2
22 exp3.01)( 00CO
нCOCO ttt
годtн 2000 летCO 452 ppmCO 2802
0
.
Модель изменения климата Земли с учетом тепловой инерции климатической системы и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы.
4.3. Описание антропогенного аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы
Для описания антропогенного аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы выбрана следующая зависимость от времени:
,
где - зависящая от времени величина температурного форсинга, обусловленная антропогенным загрязнением верхних слоев атмосферы - стратосферы.
Модель предполагает простейшую форму временной зависимости - считается, что до 1939 года антропогенное аэрозольное загрязнение верхних слоев атмосферы отсутствовало, а после 1939 года, резко увеличившись, осталось неизменным до настоящего времени. При этом, величина подбирается из условия наилучшего описания данных наблюдений за 1900-2000 годы.
.1939,
.1939,0)(
гtT
гttT
AA
)(tTA
AT
Изменение температуры в 1900-2000 году.
Данные наблюдений (точки) и модель (красная линия)
Палеоклиматический тест интегральной модели изменения климата с учетом тепловой инерции климатической системы.
Данные наблюдений (точки) и модель (красная линия)
Прогноз изменения температуры в 1900-2100 году.
Синяя линия - ограничение выброса СО2 на уровне 2000 г. Красная линия - продолжение экспоненциального роста выбросов СО2
Прогноз изменения температуры в 2000-4000 году.
Синии линии - ограничение выброса СО2
Красная линия - продолжение экспоненциального роста выбросов СО2
2000 г
2100 г
Изменение климата на больших интервалах времени для планет земной группы
Марсианский климат в прошлом был теплым и влажным?
Нелинейный характер реакции климатической системы на повышение среднепланетарной температуры может существенно повлиять на конкретные сценарии изменения климата Земли. (Ускорение терминальной стадии парниковой катастрофы до 50-100 лет. Наступление кратковременного 20-50 лет оледенения в Северном полушарии из-за «остановки» Гольфстрима)
ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.
Раздел 5
1 0 0
1 0
0
2 0 0 0 2 1 0 0 2 2 0 0 2 3 0 0
T im e , y ea rs -1 0
C, T
Различные сценарии развития климатических изменений
Остановка Гольфстрима Оледенение в Сев. полушарии
Базовый сценарий
Изменение альбедо
Выброс океанического СО2. Уменьшение тепловой инерции вследствие нарушения конвекции в океане
IPCC 1995
...У нас не так много шансов дожить до 3 тысячелетия и виной тому парниковый эффект. Через несколько сотен лет, если процесс не замедлится, Земля может превратиться в подобие Венеры, совершенно непригодной для жизни.
...Единственный выход - колонизация других планет. Всех проблем она не решит, но без этого шансы человечества равны нулю…
Стивен Хоукинг
Лекция в Королевском обществе Эдинбурга 2000г.
…Мы тоже получаем убегающие (runaway) решения, но пока не решаемся их опубликовать.
Ленард Бенгсон
Директор Метеорологического института им. Макса Планка
(Грац, Австрия, 2002 г.)
.